Modélisation théorique du développement tumoral sous fenêtre dorsale : Vers un outil clinique d'individualisation et d'optimisation de la thérapie

Theoretical modelisation of tumour development on dorsal skinfold chamber : towards a clinical tool to individualize and optimize therapies.

• Auteur / Autrice : Anne-Cécile Lesart
• Direction : Angélique Stéphanou, François Estève
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Modèles, méthodes et algorithmes en biologie, santé et environnement
• Date : Soutenance le 13/11/2013
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale ingénierie pour la santé, la cognition, l'environnement (Grenoble ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Techniques de l'Ingénieurie Médicale et de la Compléxité
• Jury : Président / Présidente : Benjamin Ribba
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Samuel Bernard
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean Clairambault, Thierry Colin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles biologiques

Mots clés libres

Fenêtre dorsale

Modélisation multi-échelle

Modèle computationnel

Croissance tumorale

Angiogénèse

Couplage et optimisation des thérapies

Dorsal skinfold chamber

Multi-scale modelling

Computational model

Tumour growth

Angiogenesis

Therapies' coupling and optimisation

Résumé

Le travail réalisé durant cette thèse a eu pour objectif de développer un modèle théorique spécifiquement dédié au contexte du développement tumoral tel qu'il peut être observé sous une fenêtre dorsale implantée sur une souris. Le modèle développé est un modèle hybride multi-physique et multi-échelle qui couple deux modules principaux. Le premier module modélise la croissance tumorale par un automate cellulaire qui permet de différencier l'état de chaque cellule en fonction de son histoire (cycle cellulaire), et de son environnement (espace disponible pour proliférer, présence d'oxygène). Le second module modélise le réseau vasculaire et le flux sanguin et rend compte de l'angiogenèse (apparition de nouveaux vaisseaux) et de l'adaptation du diamètre des vaisseaux, en fonction de l'évolution des contraintes hémodynamiques, nettement visible sous la fenêtre dorsale. L'ensemble des processus diffusifs (diffusion de l'oxygène et des facteurs de croissance vasculaire) sont décrits par des équations aux dérivées partielles, couplées à des automates cellulaires qui permettent de localiser à chaque instant pour chaque équation les termes sources (production) et les termes puits (consommation) pour chaque entité diffusive. Les simulations numériques réalisées montrent dans quelle mesure il est possible de rendre compte des observations expérimentales sur le plan qualitatif, qui nécessite la neutralisation des biais numériques ; et sur le plan quantitatif, pour reproduire la cinétique de croissance tumorale et l'évolution de la densité vasculaire. Le modèle numérique de l'évolution tumorale sous fenêtre dorsale est ensuite utilisé pour tester les effets de deux types de molécules : cytotoxiques et anti-vasculaires. Les simulations numériques de ces deux types de traitement explorent différents protocoles, définis par le mode d'action de la molécule, la dose administrée et la fréquence d'administration. Les résultats montrent comment il est alors possible de définir un protocole optimum pour une tumeur donnée en direction d'une individualisation de la thérapie. Ce modèle intégré a permis de poser de façon satisfaisante les bases d'un clone numérique du modèle expérimental d'évolution tumorale sous fenêtre dorsale même si certains aspects nécessitent encore quelques améliorations. La validation des aspects thérapeutiques restera encore à accomplir avant de pouvoir envisager à terme le remplacement (au moins partiel) de l'animal par l'ordinateur.

The work realised during this thesis had for objective to develop a theoretical model dedicated to the context of tumour development as observed on a dorsal skinfold chamber on a mouse. The model developed is hybrid, multi-physic and multi-scale, and associate two main modules. The first module model tumour growth with a cellular automaton which permit to differentiate the state of each cell regarding its history (cell cycle), its environment (available space to proliferate, oxygen availability). The second module model vascular network and blood flow, and accounts for angiogenesis (apparition of new vessels) and diameter adaptation of vessels, regarding hemodynamical constraints evolution which is distinctly visible on dorsal chamber. The diffusive processes (oxygen diffusion and vascular growth factors) are described by partiel differential equations, coupled with cellular automata which permit to localize at each time for each equation the source terms (production) and the well terms (consumption) for each diffusive entity. The numerical simulations realised show in which regard it is possible to accounts for the experimental observations on the qualitative basis, which require numerical bias neutralisation; and on the quantitative basis, to reproduce tumour growth kinetic and evolution of vascular density. The numerical model of tumour evolution on dorsal chamber is then used to test the effects of two types of molecules: cytotoxic and anti-vascular. Numerical simulation of these two types of treatment explore different protocols, defined by the action mode of the molecule, the dose administrated, and the administration frequency. Results show how it is possible to define an optimum protocol for a given tumour in direction of therapy individualisation. This integrated model has permitted to put in place in a satisfactory way the bases of a numerical clone of the experimental model of tumour growth on dorsal chamber, even if several aspects still necessitate some improvements. The validation of these theoretical aspects has yet to be accomplished before considering in term the replacement (at least partiallly) of animals by computers.